民國115年 高考三級 氣象 天氣學（包括天氣分析與天氣預報）考古題
民國115年 高考三級 氣象 天氣學（包括天氣分析與天氣預報）收錄考選部官方試題，共 5 題可線上瀏覽，考選部未公告本科目答案。
題目與答案
在與外圍環境沒有熱量交換的情況下，空氣塊隨著氣流從迎風面近地表
處爬升，到某一高度開始飽和凝結，伴隨雲的發展並有降水，之後空氣
塊隨著氣流爬升，翻過山頂，並在背風面下降。說明此空氣塊在爬山與
過山沉降過程中，位溫、露點、混合比、水氣壓、相對濕度的變化並說
明其原因。（20 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、位溫（potential temperature, θ）的變化與熱力過程。未飽和上升階段，空氣塊依乾絕熱遞減率（約9.8 K/km）降溫，θ 守恆不變；到達抬升凝結高度（lifting condensation level, LCL）後轉為飽和絕熱上升，凝結釋放潛熱部分抵銷膨脹冷卻，降溫率減為約4至7 K/km。由於潛熱持續加入，θ 隨高度增加，此即相當位溫（θe）守恆而 θ 上升的典型特徵。
- 二、混合比（mixing ratio, w）與水氣壓（vapor pressure, e）。未飽和階段 w 與 e 皆守恆，故水氣壓不隨高度改變；飽和後水氣不斷凝結成雲滴，w 與 e 隨高度減小，e 大致沿飽和水氣壓曲線（Clausius-Clapeyron 關係）下降。若降水將凝結物移出空氣塊，總水量減少，此為不可逆的假絕熱（pseud adiabatic）過程，亦使 θe 較原值降低。
- 三、露點（dew point, Td）與相對濕度（relative humidity, RH）。未飽和上升時 w 守恆而氣壓下降，Td 約以1.8 K/km 緩慢下降，遠慢於氣溫的9.8 K/km，故 RH 快速上升至100%。飽和後 Td 等於氣溫，兩者同步下降，RH 維持100%；但降水移除水氣後，背風下沉時的水氣已較原先明顯減少。
- 四、過山沉降階段。背風下沉初期仍可能飽和，出現雲消與降水蒸發冷卻；一旦離開雲底即轉為乾絕熱下沉，θ、w、e、Td 均守恆，氣溫以9.8 K/km 回升，RH 迅速下降。因上升時潛熱已隨降水移出，同高度下沉後的氣溫高於迎風面原氣溫、水氣卻較少，形成乾熱的焚風（foehn）效應。
- 五、整體判定。若降水充分且凝結物全部落下，背風面增溫最顯著；若凝結物部分蒸發，則增溫幅度減小。故同一氣塊過山後呈現位溫升高、混合比與水氣壓降低、露點降低、相對濕度大幅下降的組合，此即山區背風側乾熱天氣的熱力學基礎。
蒙古高壓與太平洋高壓都會影響臺灣的天氣，試述這兩種高壓的垂直結
構與逆溫層特性之差異。（20 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、蒙古高壓的性質與垂直結構。蒙古高壓（西伯利亞高壓）屬熱力性冷心高壓（cold-core high），主要由冬季大陸強烈輻射冷卻、低層空氣密度增大所形成，故強度以近地面最強，隨高度迅速減弱，垂直厚度通常僅1至3公里，其上多為西風槽或低壓區，屬淺薄系統。
- 二、蒙古高壓的逆溫特性。因其為冷心淺薄系統，最顯著的逆溫是貼地的輻射逆溫（radiation inversion）：夜間地表強冷卻使逆溫層緊貼地面、厚度僅數百公尺、上下溫差大、梯度陡，常伴隨濃霧或低層層雲；冷鋒前緣另有鋒面逆溫，高壓出海變性後結構改變，白天日照後逆溫易被混合破壞。
- 三、太平洋高壓的性質與垂直結構。太平洋高壓（副熱帶高壓，subtropical high）屬動力性暖心高壓（warm-core high），由哈德里環流（Hadley circulation）上層向極輸送後下沉堆積所致，暖心可延伸至對流層中高層，500 hPa 面上仍見明顯的副熱帶高壓，垂直厚度可達十餘公里，屬深厚系統。
- 四、太平洋高壓的逆溫特性。其逆溫為下沉逆溫（subsidence inversion），通常位於700至850 hPa、高度約1.5至3公里，係大尺度下沉增溫與上方乾空氣共同造成；逆溫層厚、坡度平緩、範圍廣，下方為潮濕的海洋混合層與信風積雲，雲頂大致即逆溫底部。高壓中心附近下沉強、逆溫明顯，邊緣較弱。
- 五、比較與天氣影響。蒙古高壓為冷心、淺薄、熱力驅動，逆溫以貼地輻射逆溫為主，溫差大而厚度薄；太平洋高壓為暖心、深厚、動力驅動，逆溫以中低層下沉逆溫為主，範圍廣而平緩。前者影響臺灣冬季寒潮與乾冷天氣，後者影響夏季高溫、穩定少雨與午後對流之抑制。
鋒區附近除了明顯的溫度與風的變化之外，也經常伴隨明顯之雲雨發展
與降水。試述主要決定鋒面上雲雨型態與強度之物理機制以及其影響因
子。（20 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、鋒面的動力結構與次環流。鋒區是溫度梯度密集帶，鋒生（frontogenesis）過程中的變形場與輻合會激發跨鋒的次環流（Sawyer-Eliassen circulation），暖側上升、冷側下沉，此為鋒面雲雨的主要驅動。上升運動的大小取決於鋒生強度、鋒面坡度與溫度梯度。
- 二、鋒面類型決定雲雨型態。暖鋒坡度平緩（約1/100至1/150），上滑運動緩慢而廣，多形成層狀雲（卷雲、卷層雲、高層雲、雨層雲），降水範圍廣、強度弱而持續；冷鋒坡度陡（可達1/50以上），舉升劇烈，多為積雨雲與對流性降水，雨帶窄而強，常伴雷雨、陣風與颮線。
- 三、決定強度的物理機制。包含低層水氣通量輻合（low-level moisture flux convergence）與低層噴流供應水氣；潛在不穩定（CAPE）與條件性對稱不穩定（conditional symmetric instability, CSI）造成的帶狀對流；高空槽與噴流耦合產生的準地轉上升運動；冰相微物理與播撒回饋（seeder-feeder）機制使降水增幅。
- 四、影響因子。鋒面移動速度（快則降水短暫、慢則累積可觀）、鋒面坡度與垂直風切、氣團穩定度與水氣含量、上層輻散與槽線位置、地形舉升（如中央山脈）、海溫與海氣通量、季節差異（梅雨鋒與冬季鋒面性質不同）。當鋒面移速慢且水氣充沛時，易發生持續性豪雨。
- 五、綜合研判。實務上應同時檢視鋒生強度、水氣輸送、穩定度指標與上層強迫，並配合衛星與雷達回波判斷雲雨型態；若鋒面帶上出現 CSI 或對流胞組織化，須留意短時強降雨與劇烈天氣。
噴流之出現不僅風速變大，而且也會伴隨強烈之風切，對天氣之演變或
對流之發展會有很大之影響。比較說明極鋒噴流、副熱帶噴流、東風噴
流等三種噴流之特性與形成之機制。（20 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、極鋒噴流（polar-front jet）。位於極鋒與極地鋒區上方、對流層頂附近，高度約8至12公里（200至300 hPa），風向多為西風，風速可達100 m/s以上。形成機制為極地與中緯度間強烈的經向溫度梯度，依熱成風關係（thermal wind）在高空形成強西風，並由斜壓不穩定與鋒生過程維持；常與極鋒氣旋及深槽相伴，位置隨季節南北移動，彎曲度大。
- 二、副熱帶噴流（subtropical jet）。位於副熱帶約200 hPa、高度12至14公里，風向亦為西風但較連續、緯向。形成機制主要是哈德里胞上層向極的氣流受角動量守恆（conservation of angular momentum）與科氏力作用而加速，配合副熱帶高壓北側的溫度梯度；其強度受熱帶對流加熱與中緯度波動影響，冬季較強。
- 三、東風噴流（easterly jet）。包括熱帶對流層上部東風噴流（tropical easterly jet, TEJ），夏季出現於亞洲南部約10至15度N、150至200 hPa，風速約20至50 m/s；另有低層非洲東風噴流（African easterly jet, AEJ）約600 hPa。形成機制為青藏高原與陸地加熱造成的南北溫差及季風環流，並配合角動量與輻射冷卻的經向梯度。
- 四、三者比較。極鋒噴流由極鋒溫度梯度與斜壓過程驅動，位置偏中高緯、高度較低、風速最強且彎曲；副熱帶噴流由角動量守恆與哈德里環流驅動，位置偏副熱帶、高度較高、較平直；東風噴流為熱帶東風，由大陸與高原加熱驅動，風速較弱。
- 五、天氣影響。極鋒噴流與氣旋發展、鋒面及劇烈天氣有關；副熱帶噴流影響副熱帶高壓與梅雨鋒位置；東風噴流則與東風波、熱帶對流及颱風路徑有關。三者之風切均可提供中尺度對流組織化的環境條件。
對流可用位能（CAPE）可以用來判斷對流發展的可能性以及對流之特
性。一般清晨的探空，易有近地面之逆溫層存在。試述有那些過程或作
用可以減少對流抑制（CIN convection inhibition）或增加對流可用位能以
增加對流之機會？（20 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、日間地表加熱與邊界層混合。日出後太陽加熱使近地面氣溫上升，邊界層對流混合增強，可侵蝕並破壞清晨的輻射逆溫，使混合層增厚、抬升凝結高度與自由對流高度下降，CIN 明顯減小；同時低層增溫使氣塊的相當位溫提高，CAPE 增加。此為午後對流最常見的機制。
- 二、低層暖濕平流與水氣增加。低層噴流（low-level jet）或海面水氣通量輸送暖濕空氣，提高低層相當位溫與濕球位溫，使氣塊抬升時更快達到飽和，LCL 與 LFC 降低、CIN 減少，CAPE 增大；若中層有乾空氣入侵或冷平流，環境遞減率增大，亦可提高 CAPE。
- 三、低層輻合與強迫舉升。鋒面、海風鋒、冷池外流邊界、地形舉升與低壓槽等提供的輻合，可直接給予氣塊初始抬升速度，幫助其克服 CIN 到達 LFC；上層槽線與噴流出口區的輻散造成降壓與上升運動，亦使氣塊易於突破抑制層。
- 四、逆溫層的移除與其他過程。除加熱混合外，平流（暖平流使逆溫抬升）、下沉運動減弱、夜間低層噴流造成的風切與輻合，均可削弱抑制層；山脈與海陸風的局地環流亦能提供舉升。惟須注意夾捲（entrainment）會稀釋氣塊並減少 CAPE，過度混合亦可能使 CAPE 下降。
- 五、綜合研判。實務上應整合探空之 CAPE 與 CIN、低層水氣、垂直風切與強迫舉升條件，並注意模式對近地逆溫與邊界層演變的掌握度；單一指標不足以判定對流是否發展，須配合衛星、雷達與系集預報綜合評估。